Квантовые свойства света

1. Тема “ Квантовые свойства света “

1.
2.
3.
4.
Законы теплового излучения.
Внешний фотоэффект.
Квантовая природа света. Фотоны.
Эффект Комптона.
Литература
1.
Трофимова Т. И. Курс физики. - § 197 – 207.
2.
Савельев, И.В. Курс общей физики. В 5-и тт. Том 5, гл.1,
гл.2 [Электронный ресурс] : учеб. пособие — Электрон.
дан. — Санкт-Петербург : Лань, 2011. — 384 с. — Режим
доступа: https://e.lanbook.com/book/708.

2.

Введение. Электромагнитное излучение во
многих природных явлениях проявляет
волновые свойства и его можно рассматривать
как электромагнитные волны.
Однако, в действительности электромагнитное
излучение, и свет в том числе, - это более сложное
явление, и при определённых условиях его
следует рассматривать как поток особых частиц –
квантов или фотонов, не обладающих массой
покоя. Как говорят, свет проявляет квантовые
(дискретные) свойства.
Квантовые свойства света были обнаружены
при изучении теплового излучения нагретых тел
и некоторых других явлений.

3. Вопрос 1 Электромагнитное излучение, испускаемое нагретыми телами за счёт энергии теплового движения атомов и молекул вещества

( своей
внутренней энергии), называется тепловым.
Источники теплового излучения - любые
нагретые тела (лампа накаливания, утюг, печь,
паяльник, отопительная батарея, …)
Источники нетеплового излучения - светодиод,
лазер, люминесцентная лампа, экран телевизора).
Тепловое излучение характеризуется
сплошным спектром излучения, положение
максимума которого зависит от температуры тела.

4. Характеристики теплового излучения

Спектральная плотность энергетической светимости
тела Rv,Т - величина, равная энергии
электромагнитного излучения , испускаемой за
единицу времени с единицы площади поверхности
тела в единичном интервале частот.
R ,T
dW
d
Единица измерения -
1 Дж /м2

5.

Энергетическая светимость RТ - величина, равная
энергии электромагнитных волн всевозможных
частот , излучаемых за единицу времени с единицы
площади поверхности тела.
RT R ,T d
0
Ед. измерения - 1 Вт/м2

6.

Спектральная поглощательная способность тела
A v ,T - величина, показывающая какая доля энергии
электромагнитных волн в диапазоне частот от
v
до
v + dv ,
падающих на единицу площади поверхности
тела за единицу времени, полностью поглощается этим
телом.
A ,T
dWпогл
1
dWпад
Величины
R v,T и A v,T зависят от природы тела, его
температуры Т и частоты излучения.

7.

Законы теплового излучения были открыты для
абстрактного тела (модели) - абсолютно чёрного тела.
Абсолютно черное тело - тело, которое полностью
поглощает все падающее на него электромагнитное
излучение.
Модель – почти замкнутая полость с небольшим
отверстием.
Для этого тела
A( , T ) 1

8. Законы теплового излучения

Закон Кирхгофа: отношение спектральной энергетической
светимости к спектральной поглощательной способности
не зависит от природы тела, оно является для всех тел
универсальной функцией частоты ( длины λ ) волны и
температуры.
R( , T )
r ( , T )
A( , T )
r ( , T ) спектральная энергетическая светимость
абсолютно чёрного тела

9. Это означает, что чёрное тело излучает больше любого нечёрного. Поэтому закопчённый чайник остывает быстрее блестящего.

Закон Стефана – Больцмана
Энергетическая светимость Rэ абсолютно
черного тела пропорциональна его абсолютной
температуре в четвертой степени
Rэ T
4
σ = 5,67 . 10-8 Вт /м2 .К4 - постоянная
Стефана - Больцмана

10. Закон смещения Вина

Произведение длины волны λm , на которую приходится
максимум мощности излучения ( спектральной
энергетической светимости ) абсолютно черного тела, на его
термодинамическую температуру есть величина постоянная.
m T b
b
m
T
3
b 2,9 10 м К

11.

Спектральное распределение r (λ,T) излучения
черного тела при различных температурах
b
m
T

12.

Попытки объяснить законы теплового
излучения, используя классическую физику,
были неудачны. Предлагаемые теории
предполагали, что электромагнитная энергия
может излучаться непрерывно, в любых
количествах.
В 1900 г. немецкий учёный Макс Планк
выдвинул революционную гипотезу, которая
позволила ему объяснить экспериментальные
законы и построить квантовую теорию
света.

13. Гипотеза Планка

Атомные излучатели (осцилляторы) излучают
энергию (электромагнитные волны) не
непрерывно, а дискретными порциями – квантами.
Энергия кванта электромагнитного излучения
пропорциональна излучения.
h h
h 6,63 10
c
34
Дж с
- постоянная Планка

14.

Формула Планка, описывающая
зависимость мощности излучения
абсолютно чёрного тела от частоты
и температуры

15. Вопрос 2. Внешний фотоэлектрический эффект

Другим явлением, которое свидетельствует о
квантовых (корпускулярных) свойствах света
является внешний фотоэлектрический эффект.
Внешний фотоэффект – испускание электронов с
поверхности вещества под действием света.
Наблюдается в твердых телах и газах.
Обнаружен в 1887 г. Генрихом Герцем,
исследован Столетовым, Ленардом и др.

16. Обнаружение внешнего фотоэффекта, 1887 г. Облучение светом электрической дуги (УФ-свет) отрицательно заряженной цинковой

пластины приводило
к уменьшению заряда пластины.
Э- электрометр.

17. Возникновение внешнего фотоэффекта (происходит взаимодействие световой волны с электронами вещества)

18. Схема установки для исследования внешнего фотоэффекта

К - отрицательный
электрод, катод
А - положительный
электрод, анод
D - световой поток,
падающий на катод

19. Зависимость фототока , образуемого потоком электронов, испускаемых под действием света, от напряжения U для двух различных

освещённостей катода.
1. Электроны вылетают из катода с разными скоростями.
2. Максимальное значение фототока определяется таким
напряжением U, при котором все фотоэлектроны
достигают анода
3. При U = 0 фототок не исчезает. Электроны обладают
некоторой скоростью и в вакууме могут достичь анода
без внешнего поля.

20.

Для того, чтобы фототок стал равным нулю, надо
приложить такое отрицательное задерживающее
напряжение Uз, при котором даже электроны с
максимальной кинетической энергией не могут преодолеть
задерживающего поля и достичь анода. Это возможно,
если максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов
равна работе сил тормозящего, задерживающего поля
согласно уравнению
2
макс
mv
e U з
2

21. Три закона внешнего фотоэффекта

1. Число электронов, вырываемых светом с
поверхности вещества за единицу времени прямо
пропорционально интенсивности падающего
света.
2. Максимальная кинетическая энергия
фотоэлектронов не зависит от интенсивности
падающего света, а определяется только
частотой света.

22.

3. Для каждого вещества существует
минимальная частота света, называемая красной
или длинноволновой границей
кр
фотоэффекта, ниже которой фотоэффект
невозможен.
Эта частота зависит от вида вещества
(материала фотокатода) и состояния его
поверхности.
Внешний фотоэффект и его законы объясняет
квантовая теория, созданная А. Эйнштейном
в 1905 г.

23. Квантовая теория фотоэффекта А. Эйнштейна

1. Свет распространяется в пространстве и
поглощается веществом отдельными порциями
( квантами), энергия которых равна
h
2. Каждый фотон поглощается одним электроном.
3. Передача энергии фотона электрону
происходит почти мгновенно.
4. Энергия падающего фотона расходуется на
совершение электроном работы выхода А и на
сообщение электрону кинетической энергии.

24. Уравнение Эйнштейна для внешнего фотоэффекта

2
макс
mv
h A
2
A
мин кр
h
Красная граница
фотоэффекта
h
- постоянная Планка
v
- частота падающего света
- работа выхода электронов из вещества
А
Vмакс - максимальная скорость фотоэлектрона

25. 3. Квантовая природа света. Фотоны.

Современная квантовая физика представляет
свет как распространение квантов света фотонов (микрочастиц света). Свойства фотонов:
Фотон - квант электромагнитного излучения
Энергия
ε=hv
Заряд
Q=0
Скорость
с = 300 000 км / c
Масса покоя
m0 = 0
Масса фотона m = h v / c2
Импульс фотона
p = m.c = h / λ
Здесь v - частота, h - постоянная Планка

26. Свет, падающий на тело оказывает на его поверхность давление, равное импульсу, который передают поверхности за 1 с N фотонов

Давление света P при нормальном его падении
на поверхность тела равно:
hh
II
pp
NN ((11 RR)) ((11 RR))
cc
cc
R
I отр
I пад
коэффициен т отражения
света от поверхности

27. Вопрос 4. Наиболее полно квантовые (корпускулярные ) свойства света проявляются в эффекте Комптона.

Эффект Комптона - упругое рассеяние коротковолнового
электромагнитного излучения (рентгеновского ) на
свободных электронах, сопровождающееся увеличением
длины волны излучения.
В 1923 г. Комптон исследовал рассеяние рентгеновского
излучения различными веществами. Он обнаружил, что в
рассеянном излучении наряду с излучением
первоначальной длины волны λо содержится более
длинноволновое излучение λ.
Разность Δλ = λ - λо не зависит от длины волны
падающего излучения и природы вещества, а определяется
углом рассеяния θ.

28.

Схема
эксперимента
Комптона
Спектры рассеянного излучения

29. По квантовой теории при эффекте Комптона происходит упругое столкновение двух частиц - налетающего фотона, обладающего

По квантовой теории при эффекте Комптона
происходит упругое столкновение двух частиц налетающего фотона, обладающего импульсом ро и
энергией
hvo c покоящимся электроном.
Фотон, столкнувшись с электроном, передаёт ему часть
своей энергии и импульса и изменяет направление
движения (рассеивается).
Уменьшение энергии фотона означает увеличение
длины волны рассеянного излучения. При каждом
столкновении выполняются законы сохранения энергии и
импульса.

30.

Диаграмма импульсов при упругом
рассеянии фотона на покоящемся
электроне (жёлтый шарик):
синяя стрелка – вектор импульса исходного фотона,
чёрная стрелка -- вектор импульса рассеянного фотона,
красная стрелка -- вектор импульса электрона отдачи
(отскочившего при столкновении с налетающим
фотоном

31. Выражение для разности длин волн, полученное из квантовых представлений о свете и законов сохранения энергии и импульса.

o 2 C Sin 2 ( / 2) С (1 cos )
o длина волны падающего излучения
длина волны рассеянног о излучения
h
C
комптоновская длина волны
mo c
C 2,426 пм комптоновская длина волны
электрона

32. Корпускулярно - волновой дуализм света

В результате углубления представлений о
природе света выяснилось, что свет обладает
двойственной природой, получившей название
корпускулярно – волнового дуализма света.

33.

Выяснилось, что свет одновременно
обладает свойствами непрерывных
электромагнитных волн и свойствами
дискретных фотонов.
Волновые свойства света определяют
распространение света, интерференцию,
дифракцию, поляризацию,
а корпускулярные свойства - взаимодействие
света с веществом !

34. Контрольные вопросы

1. Какого цвета « абсолютно чёрное тело» ?
2. Что такое фотон? Напишите формулу его энергии.
3. Две звезды. Одна излучает голубоватый свет, другая с
красным оттенком. У какой из них поверхностная
температура выше? Какой закон надо использовать, чтобы
ответить?
4. Какой фундаментальный закон использован в уравнении
Эйнштейна для внешнего фотоэффекта?
5. Чему равны заряд и масса покоя фотона?
6. Что означает выражение «корпускулярно-волновой
дуализм света» ?